TWI526653B - 整合式分開蒸汽水盤管空氣加熱器及節熱器（ｉｗｅ）、及改善鍋爐的節熱器的對數平均溫差之方法 - Google Patents

Description

整合式分開蒸汽水盤管空氣加熱器及節熱器(IWE)、及改善鍋爐的節熱器的對數平均溫差之方法 相關申請案之交叉參考文獻

本申請案聲明於2009年3月10號申請之標題為“IWE”之臨時申請案(序號為61/158,774)所賦予的權利，此處將其揭露之內容納入參考文獻。

本發明係有關於鍋爐以及蒸氣產生器之領域，特別是有關於加熱燃燒空氣之空氣加熱器。

管式空氣加熱器係為主要的加熱空氣機構，水盤管空氣加熱器(water coil air-heater,WCAH)為其常用的替代品。目前所使用的管式空氣加熱器或WCAH，係將燃燒空氣加熱至指定的操作溫度。當使用該WCAH作為加熱源時，使用該鍋爐之給水之全流量流做為傳熱介質。當該空氣被加熱時，則該給水的溫度降低。離開該WCAH的該給水，之後被送進一節熱器，該節熱器係用以降低該鍋爐之煙道氣的溫度。在特定的例子中，一管式空氣加熱器(tubular air-heater,TAH)與WCAH之結合，是為了得到較低的最終出口氣體溫度。隨著煙道氣的溫度降低，該TAH以及WCAH的尺寸則增加。當該氣體溫度下降至低於325℉，該空氣加熱器的尺寸將大幅地增加。目前的技術係受限於該給水的溫度、該煙道氣的溫度以及該所需燃 燒空氣的溫度。

美國專利3,818,872之發明人Clayton等人，揭露了藉由將繞著配置中的節熱器的某些輸入的給水分流的方式，在低負載時保護具有再迴圈迴路的直流式蒸氣產生器之爐壁之配置。

美國專利4,160,009之發明人Hamabe揭露了含有一脫硝器的鍋爐裝置，該脫硝器係利用一觸媒，且將該脫硝器設置在該觸媒的最佳反應溫度範圍中。為了將該燃燒氣體之溫度控制在該最佳反應溫度範圍中，透過一控制閥，使該溫度範圍能夠與一高溫氣體源或一低溫氣體源連繫。

美國專利5,555,849之發明人Wiechard等人揭露了氮氧化物排放之催化還原作用之氣體溫度控制系統，其中，為了將煙道氣之溫度維持在低負載運轉期間時氮氧化物觸媒反應物之所需溫度，藉由將某些給水流供給至一旁路線路的方式，將此部分的水流繞過該系統的節熱器，以維持對於該觸媒反應器而言所需的煙道氣溫度。

此處將已出版之美國專利申請案2007/0261646以及2007/0261647揭露之內容納入參考文獻，該二申請案之發明人Albrecht等人揭露一多程節熱器(multiple pass economizer)以及選擇性觸媒反應器(Selective Catalytic Reactor,SCR)之溫度控制之方法，其中，在鍋爐負載範圍中維持所要的節熱器出口之氣體溫度，該方法包含多數個管狀配置，該多數個管狀配置具有與煙道氣接觸的表面。每個管狀配置包含多數個蛇形管或細長管，水準地或垂直 地且來回地被安置在該節熱器的內部，且每個管狀配置具有一分開的給水入口。

目前的技術通常在鍋爐系統之煙囪處或靠近鍋爐系統之煙囪處供應遠超過300℉的煙道氣。當發現一系統可經濟地降低煙道氣之出口溫度時，這會是一項優點。

本發明之目的，係為了得到較目前經濟上可能的技術為低的鍋爐最終出口氣體溫度。本發明增加了在給水與煙道氣之間的驅動力。此增加的驅動力改善了在該給水與該煙道氣之間的熱傳，導致其所需的熱傳區域小於使用傳統方法時所需的熱傳區域。

為了增加在該節熱器內部的驅動力，在該給水與該煙道氣之間的對數平均溫差(Log Mean Temperature Difference,LMTD)，需較目前可能技術之對數平均溫差為增加。使用目前的技術，在特定條件下，增加的LMTD不足以使熱傳能夠發生。本發明藉由增加流過該節熱器之部分給水之LMTD，同時將剩餘的給水流過該節熱器所產生的熱傳減至最低的方式，而解決上述問題。

根據本發明，一整合式的水盤管空氣加熱器(WCAH)以及節熱器(下文中稱為IWE)，在該WCAH以及該節熱器內部設置多數個水流路徑。該給水之全流量流係以單一管流線或多數管流線流入該IWE。該給水流在該IWE的WCAH之外側或在該WCAH區段之內部，分離成二管水 流或更多管水流(分離之水流之WCAH)。根據所要的操作條件，在分離之水流之間，該給水流產生偏流。

在附加的申請專利範圍中指出使本發明具有特點的許多先進特徵。為了更佳瞭解本發明，以及藉由其用途而得到的操作優點以及具體利益，將參考附圖以及本發明的較佳實施例所敍述的事項。

現在請參閱附圖，其中所有附圖中相似的參考號碼係指相同的元件或功能上相似的元件，圖1顯示一整合式的水盤管空氣加熱器(WCAH)12以及節熱器(ECON)14，共同形成本發明的IWE 10。該IWE亦可使用已公開的美國專利申請案2007/0261646以及2007/0261647所揭露的多程節熱器16，其可接收來自該IWE 10的節熱器14的輸出水。

裝置之說明

在入口處之給水20的總輸入，係藉由例如導管及一個或多個閥門之分流機構，將該總輸入分割成高溫、較低質流量(mass flow)的第一部分分流22以及較高溫、較高質流量的第二部分分流24。該第一部分分流22流過在該WCAH 12中的至少一個熱傳迴路，其包含該WCAH 12大部分之熱傳表面，且用於增加在該給水與該節熱器氣體之間的LMTD。這是藉由只使用總給水的一部分，加熱通過 該WCAH 12之空氣，而完成的。造成流入該節熱器14的給水具有較低的溫度。該第二部分分流24係沿著一導管流動，且該導管具有最小熱傳表面，且該導管用於推動大部分的給水。分流22以及分流24均通過該節熱器14，係用以簡化結構，以至於該二個分流均具有某些熱傳效應，使得該給水流偏向，且因此而較易控制，且將該二個分流重新結合時產生的熱衝擊減至最小。每一分流的流量係取決於一閥門26之設定點。

貫穿該WCAH 12區段的每一分流的水流仍維持分開，且該些分流係以二個分離的水流入該節熱器區段14(分離之水流)。流入該IWE 10的節熱器區段的水流，為較低溫、較低質流量的分流22，以及較高溫、較高質流量的分流24。貫穿該節熱器區段14的每一分流的水流仍維持分開(分離之水流之節熱器)。該低溫、低質流量的分流22係用作為該煙道氣之主要熱傳媒介。此分流22流過該WCAH 12以及該ECON 14之大部分之熱傳表面。高溫、高質流量的分流24具有最小的熱傳表面，以減少該煙道氣之熱傳。

一旦分流22及分流24已經完全地或大部分地通過該節熱器區段14，它們會在該IWE 10之混合區段28(作用為混合機構)中結合，亦即是在該IWE 10之內側或外側，但至少是靠近該節熱器14之下游末端。此結合後的水流，之後流出該IWE，於30處被送入該鍋爐的汽鼓(圖未示)，或自該節熱器14之輸出36通過一非分離之水流之節 熱器或一多程節熱器16，用以進一步的熱傳工作。

如圖所示，點線32將該分流22以及該分流24之上游末端以及該閥門26封閉住，該給水會在該水盤管空氣加熱器封閉殼體中或該WCAH 12中被分離。

該IWE的另一實施例係顯示於圖2，其中該分流22以及該分流24、該閥門26以及該混合段28，均位於該WCAH 12之上游，或如點線34所示，位於該WCAH 12之上游以及該節熱器14內部。

圖4顯示該IWE之又另一個實施例，其中該較低溫、較低質流量的分流22首先通過在該WCAH 12內部的一熱交換迴路22a，所供應的燃燒空氣之向上氣流因而被冷卻。之後該分流22流入在該節熱器14中的一第二熱交換迴路22b，藉由在該節熱器14中的向下流動的煙道氣而加熱該分流22，之後該分流22流回該WCAH 12中的一第三熱交換迴路22c，將熱釋放至該燃燒空氣中，該分流22之溫度降低至大約是該燃燒空氣之溫度，之後該分流22在混合段28處與該較高溫度、較高質流量的分流24重新結合之前，再次流動至一第四迴路22d，再次藉由該煙道氣而加熱該分流22。

圖4顯示在該WCAH 12之外側之上游之給水20分離成該分流22以及該分流24，以及閥門26，但是它們亦可位於該WCAH 12之內側。

圖3係為本發明之另一實施例之方塊圖，其包括例示性之流率以及溫度，並說明如何將一選擇性的氮氧化物之 催化還原作用單元或SCR 40結合至本發明中。本發明之該IWE之節熱器14，可為四排管之節熱器，係位在該SCR 40之下游，並接收來自該WCAH 12之較低溫、較低質流量的分流22e。或者，來自該WCAH 12之較低溫、較低質流量的分流22f的部分或全部，係被供應至一第二三排管之節熱器42，其亦接收該高溫、高質流量的分流24(該分流24與離開該節熱器14之該分流22e，在混合區段28處重新結合)。設定閥門26、閥門46以及閥門48，用以控制該分流22、該分流24，以及它們流至該節熱器14與該節熱器42之分配量。某些給水會在50處被接通且被供給至一溫度調節器(圖未示)。之後，來自該節熱器42之再結合的給水，被供給至一排管節熱器44，該節熱器係位在該SCR之上游，在流至位在36處之汽鼓之前。

圖3亦顯示逆流之650℉之煙道氣首先流入該節熱器44，之後流過該SCR40，並流入該節熱器42，並以889,300lb/hr之流率以及494℉之溫度，流入該IWE之節熱器14，且最後以可接受之煙囪氣體300℉之溫度，釋放該煙道氣。將617,315lb/hr之流率以及81℉之溫度流入該WCAH 12之燃燒空氣加熱，之後以418℉之溫度離開該WCAH 12。如上所述，該給水流之溫度以及流率均顯示於圖3。

圖5、圖6以及圖7顯示本發明在鍋爐區段之IWE之實施例，並顯示本發明之操作之例示性條件。

在圖5中，附有WCAH 12以及ECON 14之該IWE 10，接收該給水之分流22以及分流24(該分流22以及該分流24係來自該給水入口20，藉由該閥門26而分離)，且在該給水之分流被供給至一第二節熱器52之前，該給水之分流在該28處重新結合且混合；在該第二節熱器52處，來自650℉之火爐區段之頂端之煙道氣入口64之額外的熱能，被該給水所吸收。該結合的給水流在36處以545℉被釋放並回到該鍋爐的其他區段之前，該結合的給水流被連續供給至一第三節熱器54以及其後的一第四節熱器56。

現在將煙道氣冷卻至300℉，在出口處66被供給至該火爐之煙囪(圖未示)。

同時，藉由一鼓風機60將81℉之燃燒氣體供給至該WCAH 12，而在62處之該燃燒氣體被作為二次空氣供給之前，該燃燒氣體藉由位在入口處20之464℉之給水而被加熱至418℉。

圖6顯示與圖5相似之裝置，其中，然而，分離的該給水20之一部分之分流22流過該WCAH 12，自該WCAH 12釋放之後被供給至節熱器14，在該處該分流22與來自閥門26之其他部分之分流24重新結合，因而藉由通過該節熱器14的煙道氣而加熱所有的給水。

圖7所示的實施例相似於圖6之實施例，除了僅有一部分之分流22流過該節熱器14，而自該給水入口20分離出的另一分流24，在28處的該節熱器14之外側，與該分流22重新結合。如此僅有一部分的給水(亦即該分流 22)在該WCAH 12中被加以冷卻。

過程的進一步說明 給水流動路徑：

1.全流量流之給水(20)流入鍋爐邊界。

2.該給水流入該IWE之分離之水流之WCAH(12)之偏流區段，在該處水流被分離成二個分流(22、24)。二個分流在流過該IWE(10)之後仍然維持分開的狀態。

3.該第一分流(22)流過該WCAH之大部分的管路(加熱表面)。

4.該第二分流(24)被傳送過一具有最小加熱表面之單一管流線。

5.大部分之熱傳係發生在該第一分流中，降低在該分流中的水之溫度。當該第二分流通過該WCAH區段時，最小之熱傳發生在該第二分流中。

6.該二個分流均流出該WCAH區段，並流入分離之水流之節熱器區段。

7.該第一分流(22)流過該節熱器之大部分的管路(加熱表面)。此分流處理大部分的氣體冷卻。

8.該第二分流(24)流過一具有最小熱傳表面之單一大型管。

9.在該二個分流流過該IWE之節熱器區段之後，它們流入一混合區段(28)。

10.在該混合區段中，該二個分流混合在一起，之後流出該IWE(10)。

11.在該水流離開該IWE之後，它被送入至該汽鼓或作為單一管流線的其他節熱器區段。

煙道氣流動路徑：

1.該煙道氣流出該鍋爐，並流過其他的熱傳表面。

2.之後該煙道氣流入該IWE之節熱器區段。

3.該氣體通過該二個分流，大部分之熱傳發生在該低溫、低質流量的分流之加熱表面中。

4.之後該煙道氣流出該IWE。

給水分流之控制

設定該閥門26之控制方法，以及因此在該第一分流22與該第二分流24中相關聯的給水量之控制方法，係相似於已出版之美國專利2007/0261646以及2007/0261647。在此方法下，發展出一演算法，將理論之穩定狀態條件加以量化，其中利用質量流率作為輸入值。當需要一小時或更多的時間才能達到穩定狀態時，該演算法是必要的，因此在尚未達到穩定狀態之前，在該節熱器下游之即時溫度量測會造成潛在的誤解。一旦達到穩定狀態，則可調整該演算法(即按照比例調整)，以補償實際操作對理論操作之誤差。是否使用該演算法，係取決於該設備的實際尺寸以及可用的質量流率。

已經詳細地顯示並敍述本發明之特定實施例，以說明本發明之應用以及原理，當可理解在不背離本發明之原理之下，本發明的具體實現形式並不局限於該特定實施例。例如，可將本發明應用在涉及鍋爐或蒸氣產生器之新建構中，或應用在取代、修復或修正已存在之鍋爐或蒸氣產生器。在本發明的某些實施例中，可使用本發明的某些特徵。因此，所有這樣的改變以及實施例，均會落入本發明之申請專利範圍(包括所有的均等物)。

10‧‧‧整合式水盤管空氣加熱器及節熱器

12‧‧‧整合式水盤管空氣加熱器

14‧‧‧節熱器

16‧‧‧多程節熱器

20‧‧‧給水

22‧‧‧分流

22a‧‧‧熱交換迴路

22b‧‧‧第二熱交換迴路

22c‧‧‧第三熱交換迴路

22d‧‧‧第四熱交換迴路

22e‧‧‧分流

22f‧‧‧分流

24‧‧‧分流

26‧‧‧閥門

28‧‧‧混合區段

30‧‧‧輸出

32‧‧‧點線

34‧‧‧點線

36‧‧‧輸出

40‧‧‧選擇性觸媒反應器

42‧‧‧節熱器

44‧‧‧節熱器

46‧‧‧閥門

48‧‧‧閥門

50‧‧‧輸出

52‧‧‧第二節熱器

54‧‧‧第三節熱器

56‧‧‧第四節熱器

60‧‧‧鼓風機

62‧‧‧輸出

64‧‧‧煙道氣入口

66‧‧‧出口

在圖式中：圖1係為本發明之該IWE之一個實施例之示意圖；圖2係為本發明之該IWE之另一個實施例之示意圖；圖3係為本發明之該IWE之又另一個實施例之示意圖，其具有多數個分離的節熱器排管；圖4係為本發明之該IWE之又另一個實施例之示意圖；圖5係為本發明之根據圖1之包含一鍋爐區段之該IWE之示意圖；圖6係為本發明之相似於圖5之包含一鍋爐區段之該IWE之另一個實施例之示意圖，以及圖7係為本發明之相似於圖5之包含一鍋爐區段之該IWE之又另一個實施例之示意圖。

12‧‧‧整合式水盤管空氣加熱器

14‧‧‧節熱器

20‧‧‧給水

22‧‧‧分流

24‧‧‧分流

26‧‧‧閥門

28‧‧‧混合區段

34‧‧‧點線

Claims (2)

1. 一種整合式水盤管空氣加熱器及節熱器之設備，係用以改善一鍋爐之對數平均溫差，該設備包含：一給水入口，係用以供給給水至該鍋爐；一分流機構，將來自該入口之該給水分離成高溫、較低質流量的一第一部分分流，以及較高溫、較高質流量的一第二部分分流；一水盤管空氣加熱器，係用以通過該鍋爐用之待加熱之空氣，該水盤管空氣加熱器包含至少一個與該空氣進行熱傳之熱傳迴路，該水盤管空氣加熱器之該熱傳迴路係連接至該分流機構，用以接收該第一部分分流；一節熱器，係用以通過該鍋爐用之待冷卻之煙道氣，該節熱器包含至少一個與該煙道氣進行熱傳之熱傳迴路，該節熱器之該熱傳迴路係連接至該水盤管空氣加熱器之該熱傳路，用以接收來自該水盤管空氣加熱器之該第一部分分流；以及一混合機構，係靠近該節熱器之下游末端，用以接收該第一部分分流以及該第二部分分流，並將該第一部分分流以及該第二部分分流重新結合。
2. 一種改善一鍋爐的節熱器的對數平均溫差之方法，包含：供給給水流至該鍋爐；將該給水流分離成高溫、較低質流量的一第一部分分流，以及較高溫、較高質流量的一第二部分分流； 供給該第一部分分流至一水盤管空氣加熱器，該水盤管空氣加熱器係用以通過該鍋爐用之待加熱之空氣，該水盤管空氣加熱器包含至少一個與該空氣進行熱傳之熱傳迴路，該第一部分分流係通過該水盤管空氣加熱器之該熱傳迴路；在該第一部分分流通過該水盤管空氣加熱器之該熱傳迴路之後，將該第一部分分流供給至一節熱器，該節熱器係用以通過該鍋爐用之待冷卻之煙道氣，該節熱器包含至少一個與該煙道氣進行熱傳之熱傳迴路，來自該水盤管空氣加熱器之第一部分分流係通過該節熱器之該熱傳迴路；引導該第二部分分流至該節熱器之下游末端；以及在靠近該節熱器之下游末端處，將該第一部分分流以及該第二部分分流重新結合。